载气对炭/炭复合材料沉积速率、体密度和微观结构的影响（英文）

分别采用H2和CO2作为载气,CH4为前躯体,通过等温化学气相渗积制备炭/炭复合材料,通过偏光显微镜、拉曼光谱、X射线衍射和透射电镜对材料微观结构表征以及渗积过程密度变化,研究载气对沉积速率、体密度和微观结构的影响规律。结果表明:在渗积前50 h,CH4-H2体系的沉积速率明显大于CH4-CO2体系,但在其余渗积时间里,CH4-H2体系的沉积速率小于CH4-CO2体系。当载气从H2变成CO2时,复合材料的体密度从1.626 g/cm3增加到1.723 g/cm3,最大径向密度梯度从0.074 g/cm3减小到0.056 g/cm3。同时,基体炭从纯的粗糙体炭转变为杂化粗糙体炭含有过度生长锥,且平均石墨化度从62.7%下降到50.8%。这些显著的变化是由于CO2的氧化作用降低了表面沉积速率,却没有降低孔内沉积速率,同时大量的缺陷形成于层状石墨烯结构中导致形成过度生长锥,降低了热解炭织构。     

化学气相沉积低温热解炭的微观组织结构与沉积模型

利用扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)结合选取电子衍射(SAED)研究了化学气相沉积低温热解炭的微观组织结构。结果表明:低温热解炭是由直径小于2μm的球形颗粒状炭组成,该球形颗粒状炭的核心是炭黑颗粒,外层为中织构热解炭。其沉积过程主要经历了:微小炭黑颗粒的萌生,炭黑颗粒外层的生长,炭颗粒表面热解炭的沉积和炭颗粒的聚集长大四个过程。     

纳米球形炭的无催化化学气相沉积制备及其机理研究（英文）

以天然气为碳源,氢气为载气,通过无催化化学气相沉积的方法,合成不同粒径的球形炭。研究了沉积温度、压力和气体比例对化学气相沉积球形炭的影响。用X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对实验结果进行表征。研究结果表明制备纳米球形炭(50~100 nm)的优化工艺为沉积温度1150℃、沉积压力5kPa和天然气/氢气(气体流量比)1∶4。本研究对球形炭的气相沉积机理进行了详细的研究。沉积温度对球形炭的尺寸和微结构影响较小,沉积压力对炭核的碰撞几率影响较大。另外,氢在炭形核过程中起来很重要的作用,氢的存在有效的较少了炭核的碰撞几率。     

化学气相沉积热解碳的原位动力学研究(英文)

以丙烯和氩气为气源,在800～1200℃,1～15kPa和25～500sccm条件下进行化学气相沉积热解碳,采用磁悬浮天平实时称量热解碳的生成量进行动力学研究。结果表明,1000℃以下,化学反应控制沉积过程,乙炔的生成为限速步骤;当温度高于1000℃时,转变为气相传质控制,温度是影响沉积机理最重要的热力学参数。压力和滞留时间对沉积速率的影响说明热解碳是通过一系列气相连续反应后形成的。采用实验测得的活化能137±25kJ／mol和丙烯分压一级反应级数,确定了总的动力学方程式,并用实验结果验证了其有效性。     

化学气相沉积炭对石墨材料氧化性能的影响

研究了化学气相沉积炭对石墨材料氧化性能的影响.结果表明:化学气相沉积炭,尤其是在高温沉积情况下,可明显提高细颗粒石墨材料的氧化性能,但对于粗颗粒石墨氧化性能的影响较小.细颗粒石墨氧化时由表层氧化开始,逐渐向内部扩展.而粗颗粒石墨则优先氧化颗粒边缘,虽然氧化质量损失小,但可氧化至较深的材料内部.     

丙烯化学气相沉积热解碳的动力学研究

以丙烯为碳源, 利用磁悬浮天平热重系统研究了化学气相沉积热解碳的原位动力学, 采用气质联用仪对热解气相冷凝物进行了定性和半定量分析. 结果表明: 当稀释比为4, 总压力为6kPa, 丙烯流量为20sccm时, 丙烯在850～1100℃之间的热解反应表观活化能为(201.9±0.6)kJ/mol, 沉积过程为气相均相反应控制, 高温时冷凝物以单环芳烃为主, 低温时主要为双环和多环芳烃; 在900和1000℃下, 丙烯分压在0.3～6.5kPa范围内的热解为一级反应; 由于受有效反应时间和丙烯通量的共同作用, 沉积速率随滞留时间的延长先增大后减小, 在900℃下滞留时间为0.6s时出现最大值.     

热解炭去除污水中Cr(Ⅵ)（英文）

以胡桃壳在450℃裂解得到生物质炭BC450,以胡桃壳与20%沥青砂在450℃裂解得到BCTS20,与商业活性炭(CAC)进行对比研究去除污水中Cr(Ⅵ)的能力。与BC450相比,BCTS20具有更丰富的表面官能团。在适当条件下,BC450、BCTS20、CAC对Cr(Ⅵ)的去除率分别为80.47%、90.01%、95.69%。采用Langmuir、Freundlich、D-R模型研究吸附等温线,其中Langmuir模型最佳。BC450、BCTS20、CAC的最大Langmuir吸附容量分别为36.55、49.76、51.94 mg/g。这些炭材料对Cr(Ⅵ)的吸附可能归因于由离子交换、静电作用与螯合作用引起的化学过程。     

化学气相沉积工艺在石墨烯表面生长碳纳米管（英文）

将硝酸镍溶液与氧化石墨烯溶胶混合后冷冻干燥,然后通过真空热还原得到负载过渡金属催化剂的石墨烯粉末。以天然气为碳源,在1 000℃下采用化学气相沉积工艺,在石墨烯表面和边缘生长碳纳米管,碳纳米管将孤立的石墨烯片层结构有效地联接起来,组成空间互联网络结构,从而构建了电子、热能和载荷有效传输的通道。     

载气对C/C复合材料CVI热解炭显微结构的影响

在1000℃,0.5 kPa丙烯分压条件下,以N₂、H₂为载气和无载气情况下于热梯度CVI炉中制备了C/C复合材料,研究了载气特别是氢气对材料基体热解炭显微结构的影响。通过偏光显微镜测定材料不同区域CVI热解炭的消光角,分析热解炭显微结构在试样中的分布规律。结果表明: N₂在CVI过程中充当惰性角色,不影响热解炭的显微结构; H₂可以调节热解炭沉积时的微环境气氛,更有利于得到粗糙层结构热解炭。试样增密延长炭源气滞留时间,引起带状结构热解炭中显微结构的突变。借助氢气作为载气,可以实现对C/C复合材料中热解炭显微结构的更优控制。      

化学气相渗积压力对渗积速率和热解炭组织结构的影响(英文)

采用天然气为前躯体在不同压力下使用化学气相渗积法制备炭/炭复合材料。利用甲烷分解热力学与沉积动力学研究了渗积压力对渗积速率和热解炭组织结构的影响。采用偏光显微镜观察热解炭的组织结构。结果表明:随着渗积压力的增加,初始渗积速率增大;但在渗积后期,渗积速率随着渗积压力的增大而降低,导致在高渗积压力下相同时间制备样品的最终密度降低。热解炭组织结构对渗积压力具有很强的依赖性。在低压(1 kPa)下渗积得到的热解炭基体全部为粗糙层结构。在适中的压力(3kPa,5 kPa,10 kPa)下,以炭纤维为圆心由内到外依次得到各向同性和粗糙层热解炭,整个基体以粗糙层为主。在15 kPa下,得到的热解炭组织结构为各向同性和光滑层组织。     

化学气相沉积与渗透过程中热解炭织态结构生成机理研究

为研究热解炭织态结构的生成规律，采用不同压强的甲烷为碳源，在1100℃条件下进行了化学气相沉积和化学气相渗透实验。化学气相沉积以具有不同表面积／自由体积比（[A／V]值）的直通方形多孔陶瓷为基体；化学气相渗透实验在直径为1mm细直孔内表面沉积和对炭纤维体积分数为7％的炭毡进行致密化。借助正交偏光显微镜（消光角）和透射电子显微镜（定向角）对在不同实验条件下制备的热解炭进行分析和定量表征。研究发现：热解炭的织态结构可以在两种不同的沉积条件下形成。当甲烷压强较低时为化学生长阶段；当甲烷压强较高时为物理形核阶段。在化学生长控制阶段，热解炭的织态结构可以利用之前提出的“颗粒填充模型（P-F模型）”加以解释。该模型假设高织构热解炭的沉积一定对应于气相中存在具有合适比例的芳香化合物（例如苯）和线性小分子（主要是C2H2），当二者的浓度比偏离该最优比（或者偏大，或者偏小），均将导致中织构甚至低织构热解炭的生成。在化学生成控制阶段，化学气相沉积和化学气相渗透对热解炭织态结构影响的差别，除了[A／V]值而外，还有氢气的作用。在化学气相渗透过程中，基体内部生成的氢气快速扩散至基体表面，使内外沉积速率和织态结构均发生较大变化。     

炭基体种类对炭/炭复合材料内耗行为的影响（英文）

通过化学气相沉积(CVI)和化学气相沉积与先驱体转化结合(CVI+PIP)的方法,制备了三种不同炭基组织结构的炭/炭复合材料。三种基体分别是光滑层基体(SLC)、粗糙层基体(RLC)和混合双基体(DMC)(过度生长锥基体+呋喃树脂炭基体)。对这三种复合材料样品进行微观组织结构和动态力学性能表征。结果表明,内耗主要来源于炭基体缺陷的运动、纤维/基体界面的滑移和炭平面的滑移。复合材料的内耗对于温度和振幅变化非常敏感,但频率的变化对复合材料的的内耗影响不大。混合双基体具有最高的缺陷密度和最高的内耗,粗糙层基体具备较完美的炭平面和最低的内耗。炭基体的微观组织结构是影响内耗的关键因素,由于光滑层基体、粗糙层基体和混合双基体的微观结构的区别,导致在不同基体中出现了不同的内耗行为。在室温状态下,基体中缺陷和纤维/基体的界面的运动可能是影响内耗的主要因素,随着温度的升高,内耗的贡献可能主要来源于炭平面的滑移,而且我们还发现动态模量与缺陷密度存在一定关联。     

热解炭中原位熔盐催化SiC纳米线的合成及表征（英文）

不加金属催化剂,以碱木素酚醛树脂(LPF)和硅粉作为原料在低温条件下合成SiC纳米线。利用SEM、TEM、XRD表征样品的形貌及显微结构,用热力学方法分析反应条件对SiC纳米线生长的影响。结果表明,SiC纳米线在1100℃左右开始生长,其由气-液-固生长机理控制,同时其生成温度比用商业酚醛树脂作为原料低。生成的SiC纳米线的直径为30~100nm并沿晶面的[1 1 1]方向生长。碱木素酚醛树脂中的无机盐在热解炭化过程中原位形成熔盐并起着液相催化剂球滴的作用,促进SiC纳米线的生长,并提出合成SiC纳米线的生长机理模型。     

碳纳米管阵列/热解炭复合材料的制备和表征（英文）

以甲烷为碳源,通过化学气相沉积和化学蒸汽渗透两步法将热解炭填充至碳纳米管阵列间的空隙而制备出碳纳米管阵列/热解炭复合材料。采用扫描电镜和拉曼光谱仪对样品的结构进行表征。结果表明,碳纳米管被热解炭填充和覆盖形成均相的复合膜,其密度增加4倍,同时热解炭已石墨化。     

化学气相沉积（CVD）法制晶体金刚石的机理

引言现在正用低压气体来制造晶体金刚石而不是过去传统考虑的高温高压。生产金刚石的气相沉积过程所用的温度和压力条件对碳来说其稳定形式是石墨。然而,动力学因素允许通常是纯化学反应来形成的金刚石     

丙烯热解炭过程的气相产物分析和动力学研究(英文)

以丙烯为碳源,在700℃～1200℃进行化学气相沉积热解炭。采用气相色谱和质谱联用对反应过程中的气体产物进行定性和半定量分析,采用磁悬浮天平实时称量反应过程中的固相产物进行动力学研究,在此基础上提出丙烯分解形成热解炭的机理。气相产物的分析结果表明:丙烯热解过程产生30多种芳香化合物,随着温度的升高,主要反应生成物由萘转变为苯;动力学研究结果表明,800℃～1000℃的活化能为137±25kJ/mol,生成乙炔的基元反应控制固相产物的形成。当温度高于1000℃时,沉积行为由气相分子通过边界向固相表面扩散和气相成核共同控制,形成热解炭的主要物质逐渐由苯转变为不饱和碳氢化合物如乙烃,乙烯等。     

沉积参数对化学气相沉积纳米金刚石薄膜的影响

用强电流直流伸展电弧化学气相沉积金刚石薄膜装置,在CH4-Ar和CH4-H2-Ar气氛中沉积了纳米金刚石薄膜,研究了沉积气氛中H2加入量和沉积压力对金刚石薄膜显微组织和生长机制的影响.沉积气氛中H2含量对金刚石薄膜的表面形貌、晶粒尺寸和生长速度有显著影响,随着H2含量增加,金刚石晶粒尺寸增大,薄膜生长速度提高.在1%CH4-Ar气氛中沉积的纳米金刚石薄膜,晶粒尺寸细小,薄膜表面形貌光滑平整.在1%CH4-少量H2-Ar气氛中沉积的金刚石薄膜,晶粒尺寸小于100nm,薄膜表面形貌较平整.随着沉积压力提高,金刚石薄膜的生长速度增大.用激光Ram an对金刚石薄膜进行了表征.     

催化化学气相沉积过程中硫元素引发的炭形貌衍变

以甲苯为碳源,二茂铁为催化剂,噻吩为生长促进剂,通过化学气相沉积方法得到了多分叉结构的炭.借助SEM、XRD和EDX考察了硫元素对产物的形貌和微观结构的影响.结果表明,当甲苯中的噻吩体积分数在0.01%～1%变化时,产物形貌由树状逐渐衍变为分支状.树状炭南较长而笔直的多分叉炭纤维构成,而分支状炭则由较短且弯曲的炭纤维构成.XRD结果表明硫元素对产物的微观结构没有明显的影响.     

多孔炭对超级电容器电荷存储的影响（英文）

由于具有良好的物理化学稳定性、高比表面积、可调的孔结构及优良的导电性,多孔炭广泛应用于超级电容器电极材料。它的电容性能与其比表面积、孔结构、表面杂原子、结构缺陷及电极结构密切相关。离子及表面积(有效表面)能够提供丰富的活性位点,而合适的孔结构有利于离子的传输和存储,因而共同影响着炭基电极材料的比电容和倍率性能。具有合适孔径分布、一定数量的离子传输通道及微孔/介孔比例,是提高超级电容器能量密度和功率密度的必要条件。此外,结构缺陷、表面杂原子及合理的电极结构设计对多孔炭基超级电容器的电容性能具有重要的影响。     

改进浮动催化化学气相沉积法制备直径可控的多壁碳纳米管（英文）

采用改进的浮动催化化学气相沉法(FCCVD)制了直径可控的多壁碳纳米管(MWCNTs)。改进的FCCVD方法关键在于甲苯以气体的形式进入反应体系避免液体甲苯在高温下瞬间气化造成CNTs直径不可控。考察了二茂铁升华温度、载气中氢气含量,载气流量等因素对MWCNTs的直径影响。结果表明:改变二茂铁的升华温度可以控制CNTs的直径分布,当二茂铁升华温度从348 K升高到378 K时,MWCNTs的直径分布从30~130 nm降到60~90 nm;氢气的存在使得CNTs的直径大幅度的减小,当氢气含量为30 vol%时,碳纳米管的直径降至为20~40 nm;提高载气流速也使得CNTs直径随着载气流量的增加而逐渐减小。